【摘 要】
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浮游植物吸收系数(phytoplankton absorption coefficients,aph)在海洋生物生产力、海洋动力学研究中起着关键作用。不同浮游植物种群吸收系数的精确反演,可以加深对浮游植物种群结构的了解,为进一步研究浮游植物功能多样性奠定基础。针对浮游植物色素与粒径吸收光谱,学者们已开展了一定研究,但针对我国近海区域浮游植物种群光学吸收变化特征的研究仍极具挑战性。浮游植物种群吸收可
【基金项目】
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国家自然科学基金(41876203,41576172); 国家重点研究开发项目(2016YFC1400901、2016YFC1400904); 江苏高校“青蓝工程”中青年学术带头人(R2019Q07); 江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目(JY-084);
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浮游植物吸收系数(phytoplankton absorption coefficients,aph)在海洋生物生产力、海洋动力学研究中起着关键作用。不同浮游植物种群吸收系数的精确反演,可以加深对浮游植物种群结构的了解,为进一步研究浮游植物功能多样性奠定基础。针对浮游植物色素与粒径吸收光谱,学者们已开展了一定研究,但针对我国近海区域浮游植物种群光学吸收变化特征的研究仍极具挑战性。浮游植物种群吸收可以分解为浮游植物比吸收光谱与浮游植物种群生物量,因此本研究从两个角度入手,以中国近岸海域为研究区域,结合多个航次现场实测数据,分别构建浮游植物种群比吸收光谱量化模型、种群生物量遥感反演模型。结合实测、垂向种群生物量,获取浮游植物种群吸收贡献空间分布和垂向种群吸收分布;结合MODIS、Sea Wi FS遥感数据制作并生成长时间序列的近海水体浮游植物种群吸收时空分布产品,探究浮游植物种群吸收的时空分布规律,并结合环境因子分析二者之间相关性。主要研究结果如下:(1)基于CHEMTAX软件,将浮游植物色素浓度转化为种群生物量,结合浮游植物吸收系数,构建了浮游植物比吸收光谱量化模型。采用导数光谱法、前人研究中的种群比吸收光谱峰值特征,提取高斯中心波长信息,优化已有研究中高斯函数参数数量及位置信息,基于最小二乘法获取浮游植物种群比吸收光谱。结合实测种群生物量,重构浮游植物吸收系数以检验模型精度,结果表明,全波段决定系数R2在0.75以上,大部分波段平均绝对误差MAPE在30%以下。与已有研究中的种群比吸收光谱对比,本研究获取的比吸收光谱更接近于实验室实测得到的单一藻种归一化比吸收光谱。种群比吸收光谱的准确量化为浮游植物种群吸收分布特征研究提供了技术支持。(2)基于优化后的高斯函数参数,分解浮游植物吸收光谱,获取对应中心波段处高斯峰值,构建浮游植物种群生物量反演模型。探究各高斯峰值与种群生物量之间的相关性,遴选相关系数最高的高斯峰值;基于多种数学函数,开展高斯峰值与种群生物量之间的关系模型构建研究,并结合精度指标(决定系数R2,中值误差ME)评估各数学函数模型的种群生物量反演精度,以提出最优种群生物量反演模型。检验发现,硅藻、绿藻、青绿藻的反演精度较高,隐藻、定鞭金藻的反演精度均在可接受范围内,R2>0.6,ME<50%;蓝藻、甲藻与金藻的反演效果较差,MAPE较高,误差较大。结合实测浮游吸收系数与遥感反射率数据,探究遥感反射率波段组合与吸收系数之间的相关关系,遴选最优波段,构建吸收系数反演模型,模型精度较高。(3)结合实测浮游植物种群生物量空间插值、垂向种群生物量及MODIS、Sea Wi FS卫星数据,分别获取浮游植物种群吸收贡献空间分布、垂向种群吸收分布及23年间近海区域5个种群吸收的长时间序列时空分布图。结果显示:1)空间分布上,各种群吸收分布类似:近岸区域,种群吸收值偏高,离岸区域则出现低值。绿藻在黄海及东海中心海域吸收值要略高于硅藻,对总吸收系数的贡献更高。2)时间变化上,渤海海域多年月平均硅藻吸收变化较小,北黄海及南黄海中部区域均出现弱峰,长江口及附近海域在春、夏季出现双强峰。其余藻吸收与硅藻类似,但绿藻在北黄海及南黄海中部区域的吸收要略高于硅藻;种群吸收年际变化较为稳定。3)不同剖面区域,垂向浮游植物种群吸收均表现出明显的分层趋势,表层种群吸收高于底层,在苏北浅滩、长江口区域表层种群吸收出现高值。4)结合多种环境状态参数数据,通过相关关系分析发现,漫衰减系数(Kd(490))、盐度(SSS)对种群吸收的影响较大,海表温度(SST)在渤海沿岸区域及长江口区域对种群吸收抑制性较大,光合有效辐射(PAR)整体上对吸收的影响较小。
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